塔河油田碳酸鹽巖儲層惡性漏失空間堵漏凝膠技術(shù)

李輝，劉華康，何仲，李志勇，張申申，李強

（1. 中國石化西北油田分公司，烏魯木齊830011；2. 中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京102249）

塔河油田10區(qū)碳酸鹽巖儲集層中存在溶洞、裂縫等多種漏失空間，呈現(xiàn)出嚴(yán)重的非均質(zhì)性，縫洞系統(tǒng)平面分布廣、縱向跨度大[1-2]，在鉆井作業(yè)中常常會發(fā)生惡性漏失，在損失鉆井液的同時可能帶來其他復(fù)雜情況，延誤工期，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失[3]。凝膠封堵技術(shù)利用聚合物、交聯(lián)劑等材料在地層溫度、壓力等條件下，發(fā)生物理和化學(xué)變化，通過自身交聯(lián)強度以及與漏層壁面的黏結(jié)性充填、封堵地層漏失通道[4]。聚合物凝膠堵漏技術(shù)在國內(nèi)外有著較為廣泛的應(yīng)用，針對不同的漏失情況發(fā)展出了對應(yīng)的技術(shù)分支，如應(yīng)對淺井的可快速成膠的凝膠[5]，應(yīng)對深井的高溫凝膠[6]，應(yīng)對高鹽地層的凝膠等[7]，實踐表明該技術(shù)具有良好的應(yīng)用效果。然而對在儲層段使用，定時成膠[8]、自破膠的研究較少。研究針對發(fā)生在儲層的惡性漏失的情況，研制了一種4～10 h可定時成膠、有效自破膠的抗高溫堵漏凝膠，能夠封堵碳酸鹽巖儲層漏層，也可自行破膠解堵，恢復(fù)生產(chǎn)。

1 堵漏凝膠的制備

1.1 實驗儀器及藥品

藥品：耐溫聚合物，硫脲，HPAM，六亞甲基四胺，對羥基苯甲酸甲酯，草酸，細(xì)纖維，核桃殼。

儀器：高溫滾子加熱爐，老化罐，六速旋轉(zhuǎn)黏度計，電子天平，高速攪拌機。

1.2 凝膠配方

選用部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）作為主聚合物，以六亞甲基四胺、對羥基苯甲酸甲酯為交聯(lián)劑，硫脲作為抗氧化劑，同時選用草酸調(diào)節(jié)pH值促進反應(yīng)進行，選用纖維、核桃殼增強穩(wěn)定性及凝膠強度。在大量室內(nèi)研究的基礎(chǔ)上研制出的最終配方為：0.2%硫脲+0.4%耐溫聚合物+0.75%HPAM+0.7%六亞甲基四胺+0.8%對羥基苯甲酸甲酯+0.15%草酸+0.6%纖維+重晶石。

1.3 交聯(lián)原理

有機交聯(lián)凝膠以大分子聚合物為主體，通過有機交聯(lián)劑與大分子聚合物上的相關(guān)官能團反應(yīng)連接，從而形成復(fù)雜的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)有效封堵漏失空間。具體交聯(lián)機理如下。

1）六亞甲基四胺在高溫下水解生成甲醛與氨氣，六亞甲基四胺為固態(tài)藥品便于運輸。

2）對羥基苯甲酸甲酯的羥基鄰位上的氫比較活潑，能與甲醛發(fā)生加成反應(yīng)。

3）生成的1-羥基-2-甲醇-4-苯甲酸在酸性條件下發(fā)生縮聚反應(yīng)，生成酚醛樹脂。

4）酚醛樹脂上的羥基—OH與HPAM的酰胺基—CONH2反應(yīng)，線性結(jié)構(gòu)互相連結(jié)最終形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

同時在第一步生成的甲醛也可與HPAM形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進一步增強網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強度，最終形成具有一定強度及黏彈性的凝膠體系。

2 評價結(jié)果與討論

2.1 流變性

參照中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SY/T 6613—2005鉆井液流變學(xué)與水力學(xué)計算程序推薦作法》，在室溫下使用六速旋轉(zhuǎn)黏度計對未成膠前的凝膠體系進行黏度測量，見表1。結(jié)果表明：室溫條件下，該配方表觀黏度為40～45 mPa·s，在較長時間內(nèi)不會成膠，具有良好的可泵性，可為現(xiàn)場施工提供便利。

表1 凝膠流變性變化

2.2 定時成膠實驗

實驗通過改變草酸加量可控制成膠時間。將草酸加量控制在0.1%～0.3%之間，按上述配方每隔0.02%加量配制凝膠，放入140 ℃的滾子爐內(nèi)加熱，測試凝膠成膠時間。對成膠時間進行非線性最小二乘曲線擬合，解采用y=a+blnx的函數(shù)形式，可得到擬合函數(shù)：

并進行誤差分析：

其中ωi為權(quán)函數(shù)，y為擬合函數(shù)，s（xi）為目標(biāo)函數(shù)，Y為函數(shù)形式變化后成膠時間數(shù)據(jù)構(gòu)成的線性空間，cj為函數(shù)形式變化后定義的a和b，φj為函數(shù)形式變化后的關(guān)于點集的函數(shù)組。

由圖1可知，成膠時間隨草酸加量增大有減少的趨勢，所擬合的函數(shù)曲線與實驗數(shù)據(jù)點偏離較小，誤差在可接受的范圍內(nèi)。可參考擬合函數(shù)通過改變草酸的加量來實現(xiàn)對成膠時間的控制。

2.3 封堵能力

利用縫寬2～5 mm的裂縫鋼鐵巖心（長5 cm、直徑2.5 cm），模擬地層裂縫性漏失情況，并借助高溫高壓動濾失儀對凝膠的封堵壓力進行測試。將凝膠注入不同縫寬的鋼鐵裂縫巖心，在140 ℃高溫加熱至凝膠受熱成膠后對鋼鐵巖心端面加壓，測試凝膠的封堵能力。測得縫寬分別為2、3、4、5 mm時，封堵壓力為2.5、2.4、1.4、1.1 MPa?？芍兄频哪z體系具有一定的封堵能力，在加入核桃殼后可以進一步提升封堵壓力；隨著縫寬的增加，封堵能力有減小的趨勢。

2.4 高溫長期穩(wěn)定能力

凝膠在地層條件下存在長期穩(wěn)定性的問題：其高分子鏈發(fā)生降解，同時凝膠內(nèi)部交聯(lián)密度變化使得凝膠收縮，體積變小[9]。通過改變凝膠體系中纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)改變凝膠高溫穩(wěn)定性。配制不同濃度纖維堵漏凝膠，在140 ℃下加熱，定期取出觀察膠體情況，在破膠率達到30%記為穩(wěn)定時間，破膠率達到70%時記為可返排時間，結(jié)果見圖2、圖3。

由圖2、圖3可知，隨著纖維加量的增加，凝膠體系的穩(wěn)定性有一定程度提高，滿足鉆井工期的要求，并可實現(xiàn)有效返排，不會影響到隨后的開采作業(yè)。同時測試了纖維加量0.6%的堵漏凝膠在140 ℃加熱不同時間后，對2～5 mm的鋼鐵巖心封堵能力，結(jié)果見圖4?？芍?，凝膠封堵壓力隨著加熱時間的增加有減小的趨勢，且在15 d之前封堵壓力變化比較平緩，之后封堵壓力下降趨勢變快。

圖3 凝膠長期穩(wěn)定性實驗（140 ℃加熱）

圖4 封堵能力變化趨勢

2.5 相容性

利用塔河油田10區(qū)常用的密度為1.17 g/cm3的聚磺鉆井液和配制的模擬地層水（密度為1.02 g/cm3），評價其對堵漏凝膠性能的影響。在500 mL量筒中，分別加入200 mL鉆井液或鹽水，再加入100 mL凝膠（重晶石加重至密度為1.20 g/cm3）。搖晃量筒，凝膠和聚磺鉆井液或者鹽水出現(xiàn)分層現(xiàn)象。將上述2組實驗漿體倒入老化罐中，在140 ℃加熱8 h，觀察凝膠成膠情況，結(jié)果表明，老化罐內(nèi)上部為聚磺鉆井液或模擬地層水，下部為凝膠膠體。倒出鉆井液和模擬地層水后，觀察凝膠成膠情況，可知凝膠膠體沒有發(fā)生明顯形變，仍具有良好的成膠性和強度，表明鉆井液或模擬地層水對凝膠成膠性影響較小。

2.6 破膠能力

以過硫酸銨為主的外置破膠劑，可與凝膠發(fā)生氧化水解反應(yīng)：聚合物分子產(chǎn)生自由基，使羰基與主分子鏈斷裂，且一旦自由基產(chǎn)生將迅速發(fā)生連鎖反應(yīng)，加速降解[10]。在成膠后的凝膠體系中加入3%的破膠劑，140 ℃環(huán)境下加熱，每隔2 h觀察破膠情況?？芍? h內(nèi)破膠率95%以上，透過篩網(wǎng)只有少量纖維，見圖5。實驗表明，凝膠在破膠劑的作用下可在短時間內(nèi)失去封堵性并徹底地破膠，破膠后殘渣較少，有助于順利返排。

圖5 3%破膠劑下凝膠體系破膠情況

3 結(jié)論

1.研制的凝膠堵漏配方為：0.2%硫脲+0.4%耐溫聚合物+0.75% HPAM+0.7%六亞甲基四胺+0.8%對羥基苯甲酸甲酯+0.15%草酸+0.6%纖維+重晶石。

2.堵漏凝膠體系在成膠前表觀黏度在40～45 mPa·s左右，具有較好的流變性，可耐溫140 ℃，在長5 cm縫寬2～5 mm的裂縫鋼鐵巖心中承壓可達2.5～1.1 MPa，受鉆井液及地層水的影響小，具有良好的耐溫性、封堵性和抗污染能力。

3.根據(jù)現(xiàn)場施工需要，可調(diào)控凝膠成膠時間為4～10 h，并在18 d后逐漸實現(xiàn)破膠返排，不影響后續(xù)的生產(chǎn)作業(yè)。